10个最高频的Java NIO面试题剖析！

石杉的架构笔记

于 2019-07-16 09:57:15 发布

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本文来自公众号读者胡宜宁的投稿

感谢胡宜宁同学的分享

首先我们分别画图来看看，BIO、NIO、AIO，分别是什么？

BIO：传统的网络通讯模型，就是BIO，同步阻塞IO

它其实就是服务端创建一个ServerSocket，然后就是客户端用一个Socket去连接服务端的那个ServerSocket， ServerSocket接收到了一个的连接请求就创建一个Socket和一个线程去跟那个Socket进行通讯。

接着客户端和服务端就进行阻塞式的通信，客户端发送一个请求，服务端Socket进行处理后返回响应。

在响应返回前，客户端那边就阻塞等待，上门事情也做不了。

这种方式的缺点：每次一个客户端接入，都需要在服务端创建一个线程来服务这个客户端

这样大量客户端来的时候，就会造成服务端的线程数量可能达到了几千甚至几万，这样就可能会造成服务端过载过高，最后崩溃死掉。

BIO模型图：

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Acceptor：

传统的IO模型的网络服务的设计模式中有俩种比较经典的设计模式：一个是多线程，一种是依靠线程池来进行处理。

如果是基于多线程的模式来的话，就是这样的模式，这种也是Acceptor线程模型。

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NIO：

NIO是一种同步非阻塞IO, 基于Reactor模型来实现的。

其实相当于就是一个线程处理大量的客户端的请求，通过一个线程轮询大量的channel，每次就获取一批有事件的channel，然后对每个请求启动一个线程处理即可。

这里的核心就是非阻塞，就那个selector一个线程就可以不停轮询channel，所有客户端请求都不会阻塞，直接就会进来，大不了就是等待一下排着队而已。

这里面优化BIO的核心就是，一个客户端并不是时时刻刻都有数据进行交互，没有必要死耗着一个线程不放，所以客户端选择了让线程歇一歇，只有客户端有相应的操作的时候才发起通知，创建一个线程来处理请求。

NIO：模型图

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Reactor模型:

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AIO

AIO：异步非阻塞IO，基于Proactor模型实现。

每个连接发送过来的请求，都会绑定一个Buffer，然后通知操作系统去完成异步的读，这个时间你就可以去做其他的事情

等到操作系统完成读之后，就会调用你的接口，给你操作系统异步读完的数据。这个时候你就可以拿到数据进行处理，将数据往回写

在往回写的过程，同样是给操作系统一个Buffer，让操作系统去完成写，写完了来通知你。

这俩个过程都有buffer存在，数据都是通过buffer来完成读写。

这里面的主要的区别在于将数据写入的缓冲区后，就不去管它，剩下的去交给操作系统去完成。

操作系统写回数据也是一样，写到Buffer里面，写完后通知客户端来进行读取数据。

AIO：模型图

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聊完了BIO，NIO，AIO的区别之后，现在我们再结合这三个模型来说下同步和阻塞的一些问题。

同步阻塞

为什么说BIO是同步阻塞的呢？

其实这里说的不是针对网络通讯模型而言，而是针对磁盘文件读写IO操作来说的。

因为用BIO的流读写文件，例如FileInputStrem，是说你发起个IO请求直接hang死，卡在那里，必须等着搞完了这次IO才能返回。

同步非阻塞:

为什么说NIO为啥是同步非阻塞？

因为无论多少客户端都可以接入服务端，客户端接入并不会耗费一个线程，只会创建一个连接然后注册到selector上去，这样你就可以去干其他你想干的其他事情了

一个selector线程不断的轮询所有的socket连接，发现有事件了就通知你，然后你就启动一个线程处理一个请求即可，这个过程的话就是非阻塞的。

但是这个处理的过程中，你还是要先读取数据，处理，再返回的，这是个同步的过程。

异步非阻塞

为什么说AIO是异步非阻塞？

通过AIO发起个文件IO操作之后，你立马就返回可以干别的事儿了，接下来你也不用管了，操作系统自己干完了IO之后，告诉你说ok了

当你基于AIO的api去读写文件时，当你发起一个请求之后，剩下的事情就是交给了操作系统

当读写完成后，操作系统会来回调你的接口，告诉你操作完成

在这期间不需要等待，也不需要去轮询判断操作系统完成的状态，你可以去干其他的事情。

同步就是自己还得主动去轮询操作系统，异步就是操作系统反过来通知你。所以来说， AIO就是异步非阻塞的。

NIO核心组件详细讲解

学习NIO先来搞清楚一些相关的概念，NIO通讯有哪些相关组件，对应的作用都是什么，之间有哪些联系？

多路复用机制实现Selector

首先我们来了解下传统的Socket网络通讯模型。

传统Socket通讯原理图

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为什么传统的socket不支持海量连接？

每次一个客户端接入，都是要在服务端创建一个线程来服务这个客户端的

这会导致大量的客户端的时候，服务端的线程数量可能达到几千甚至几万，几十万，这会导致服务器端程序负载过高，不堪重负，最终系统崩溃死掉。

接着来看下NIO是如何基于Selector实现多路复用机制支持的海量连接。

NIO原理图

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多路复用机制是如何支持海量连接？

NIO的线程模型对Socket发起的连接不需要每个都创建一个线程，完全可以使用一个Selector来多路复用监听N多个Channel是否有请求，该请求是对应的连接请求，还是发送数据的请求

这里面是基于操作系统底层的Select通知机制的，一个Selector不断的轮询多个Channel，这样避免了创建多个线程

只有当莫个Channel有对应的请求的时候才会创建线程，可能说1000个请求，只有100个请求是有数据交互的

这个时候可能server端就提供10个线程就能够处理这些请求。这样的话就可以避免了创建大量的线程。

NIO如何通过Buffer来缓冲数据的

NIO中的Buffer是个什么东西？

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学习NIO，首当其冲就是要了解所谓的Buffer缓冲区，这个东西是NIO里比较核心的一个部分

一般来说，如果你要通过NIO写数据到文件或者网络，或者是从文件和网络读取数据出来此时就需要通过Buffer缓冲区来进行。Buffer的使用一般有如下几个步骤：

写入数据到Buffer，调用flip()方法，从Buffer中读取数据，调用clear()方法或者compact()方法。

Buffer中对应的Position， Mark， Capacity，Limit都啥？

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capacity：缓冲区容量的大小，就是里面包含的数据大小。
limit：对buffer缓冲区使用的一个限制，从这个index开始就不能读取数据了。
position：代表着数组中可以开始读写的index，不能大于limit。
mark：是类似路标的东西，在某个position的时候，设置一下mark，此时就可以设置一个标记
后续调用reset()方法可以把position复位到当时设置的那个mark上。去把position或limit调整为小于mark的值时，就丢弃这个mark
如果使用的是Direct模式创建的Buffer的话，就会减少中间缓冲直接使用DirectorBuffer来进行数据的存储。

如何通过Channel和FileChannel读取Buffer数据写入磁盘的

NIO中，Channel是什么？

Channel是NIO中的数据通道，类似流，但是又有些不同

Channel既可从中读取数据，又可以从写数据到通道中，但是流的读写通常是单向的。

Channel可以异步的读写。Channel中的数据总是要先读到一个Buffer中，或者从缓冲区中将数据写到通道中。

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FileChannel的作用是什么？

Buffer有不同的类型，同样Channel也有好几个类型。

FileChannel
DatagramChannel
SocketChannel
ServerSocketChannel

这些通道涵盖了UDP 和 TCP 网络IO，以及文件IO。而FileChannel就是文件IO对应的管道，在读取文件的时候会用到这个管道。

下面给一个简单的NIO实现读取文件的Demo代码

NIOServer端和Client端代码案例

最后，给大家一个NIO客户端和服务端示例代码，简单感受下NIO通讯的方式。

NIO通讯Client端

import java.io.IOException;	
import java.net.InetSocketAddress;	
import java.nio.ByteBuffer;	
import java.nio.channels.SelectionKey;	
import java.nio.channels.Selector;	
import java.nio.channels.SocketChannel;	
import java.util.Iterator;	
public class NIOClient {	
   public static void main(String[] args) {        	
       for(int i = 0; i < 10; i++){  	
           new Worker().start();  	
       }        	
   }  	
   static class Worker extends Thread {	
    @Override  	
    public void run() {       	
      SocketChannel channel = null;  	
      Selector selector = null;  	
      try {  	
          // SocketChannel，一看底层就是封装了一个Socket	
        channel = SocketChannel.open();         // SocketChannel是连接到底层的Socket网络	
        // 数据通道就是负责基于网络读写数据的	
        channel.configureBlocking(false);  	
        channel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 9000)); 	
           // 后台一定是tcp三次握手建立网络连接	
        selector = Selector.open();  	
        //  监听Connect这个行为	
        channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);          	
        while(true){  	
            // selector多路复用机制的实现  循环去遍历各个注册的Channel	
          selector.select();            	
          Iterator<SelectionKey> keysIterator = selector.selectedKeys().iterator();  	
          while(keysIterator.hasNext()){  	
            SelectionKey key = (SelectionKey) keysIterator.next();  	
            keysIterator.remove();  	
            // 如果发现返回的时候一个可连接的消息 走到下面去接受数据	
            if(key.isConnectable()){                channel = (SocketChannel) key.channel(); 	
              if(channel.isConnectionPending()){  	
                channel.finishConnect();	
                // 接下来对这个SocketChannel感兴趣的就是人家server给你发送过来的数据了	
                // READ事件，就是可以读数据的事件	
                // 一旦建立连接成功了以后，此时就可以给server发送一个请求了	
                ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);	
                buffer.put("你好".getBytes());	
                buffer.flip();	
                channel.write(buffer);  	
              }   	
              channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);	
            }  	
            // 这里的话就时候名服务器端返回了一条数据可以读了	
            else if(key.isReadable()){              channel = (SocketChannel) key.channel();	
              // 构建一个缓冲区	
              ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); 	
              // 把数据写入buffer，position推进到读取的字节数数字	
              int len = channel.read(buffer);  	
              if(len > 0) {	
                System.out.println("[" + Thread.currentThread().getName() 	
                    + "]收到响应：" + new String(buffer.array(), 0, len)); 	
                Thread.sleep(5000); 	
                channel.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);	
              }	
            } else if(key.isWritable()) {	
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);	
                    buffer.put("你好".getBytes());	
                    buffer.flip();	
                    channel = (SocketChannel) key.channel();	
                    channel.write(buffer);       	
                    channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);	
                  } 	
          }  	
        }                            	
      } catch (Exception e) {  	
        e.printStackTrace();  	
      } finally{  	
        if(channel != null){  	
          try {  	
            channel.close();  	
          } catch (IOException e) {                        	
            e.printStackTrace();  	
          }                    	
        }  	
        if(selector != null){  	
          try {  	
            selector.close();  	
          } catch (IOException e) {  	
            e.printStackTrace();  	
          }  	
        }  	
      }  	
    } 	
   }	
}